Batteriesicherheit: Brand des PV-Speichers verhindern

Solarspeicher sind wie alle technischen Geräte nicht völlig fehlerfrei. Das heißt, Defekte lassen sich nicht mit 100%iger Sicherheit ausschließen. Im schlimmsten Fall können die zu einem Brand oder gar zu einer Explosion führen. Verhindern lässt sich das durch verschiedene Maßnahmen, die bei der Konstruktion der Battery flex umgesetzt wurden.  

Um das komplexe Thema der Batteriesicherheit zu verstehen, ist es erforderlich, sich den Aufbau eines Heimspeichers genauer anzuschauen. Beginnen wir also mit der Frage, wie eine Batterie funktioniert. 

Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie. Während z.B. ein Kondensator die Energie in einem elektrischen Feld speichert, nutzt die Batterie zur Speicherung elektrochemische Prozesse. Basis jeder Batterie sind die sogenannten galvanischen Zellen. Eine solche Zelle wandelt chemische in elektrische Energie um.  

Der Aufbau einer galvanischen Zelle ist einfach und sicher noch aus dem Physikunterricht bekannt. Sie besteht aus zwei verschiedenartigen Halbzellen, in denen sich jeweils eine Elektrode und ein Elektrolyt befindet. Galvanische Zellen gibt es mit den unterschiedlichsten Elektroden oder Elektrolyten, die bekannteste Zelle besteht aus Zink/Zinksulfat-Lösung und Kupfer/Kupfersulfat-Lösung (als Daniell-Element oder Daniell'sches Element bezeichnet). Im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Elektroden und Elektrolyten spricht man von der „Zellchemie“ einer Batterie.  

Verbunden sind die beiden Halbzellen über eine Salzbrücke, die den Austausch von Ladungsträgern ermöglicht, ohne dass es zu einer Vermischung der beiden Elektrolyte kommt. In vielen Batterien übernimmt diese Funktion eine (Ionen)Membran, auch Separator genannt.  

Wird ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektroden hergestellt, kommt es zu einem Stromfluss: Auf der „unedleren Seite“ (s. elektrochemische Spannungsreihe bzw. Redoxpotential) geht das Elektrodenmaterial in Lösung und setzt dabei Elektronen frei (Oxidationsprozess, Minuspol bei Entladung, Elektrode wird als „Anode“ bezeichnet).  

Die Elektronen fließen über den Leiter zur edleren Elektrode, wo sie mit den Ionen reagieren (Reduktion, Pluspol bei Entladung, Katode). Der von der Anode zur Katode fließende Strom kann durch einen elektrischen „Verbraucher“ genutzt werden.  

Im Laufe des Entladevorgangs kommt es zu einer Angleichung der Potentiale beider Elektroden. Das heißt, die Triebkraft der Entladung wird immer geringer, bis kein Strom mehr fließt. Wird von außen eine elektrische Spannung angelegt, die einen zur Entladung umgekehrten Stromfluss bewirkt, kann die Zelle wieder aufgeladen werden. Allerdings ist das nicht bei jeder Zellchemie möglich.  

Galvanische Zellen liefern in der Regel nur geringe Spannungen und Stromstärken. Ein Batteriespeicher bzw. Akkumulator besteht deshalb aus einer Zusammenschaltung einiger oder auch sehr vieler galvanischer Zellen. Dabei werden die positiven und negativen Pole so verbunden, dass sich die Spannungen der Batteriezellen addieren und höhere Spannungsebenen erreicht werden. Die verschalteten Batteriezellen bilden zusammen ein Batteriemodul.  

Im Stromspeicher sind mehrere dieser Batteriemodule miteinander verbunden, um noch höhere Spannungen und Stromstärken zu erreichen. Neben den Batteriemodulen gehören Komponenten zur Lüftung, Schaltelektronik (Leistungselektronik) und Sicherheitskomponenten zu einem PV-Speicher.  

Lüftung 

Stromspeicher benötigen möglichst konstante Umgebungstemperaturen. Im Betrieb erwärmt sich der Speicher selbst. Deshalb muss auch der Aufstellungsort so gewählt werden, dass genügend Abstand zu brennbaren Materialien vorhanden und für eine ausreichende Lüftung gesorgt ist. Um die Wärme aus dem Inneren des Speichers abzuführen, verfügt das Gerät in der Regel über Lüftungsschlitze, seltener über eine aktive Kühlung mittels eines Ventilators. Neben der höheren Sicherheit wirkt sich die Luftkühlung auch positiv auf die Leistung des PV-Speichers und seine Lebensdauer aus. 

Schaltelektronik 

Batteriespeicher sind mit einer Anzahl an Platinen und elektrischen Bauelementen ausgerüstet, die als Schalt- oder Leistungselektronik Lade- und Entladevorgänge ermöglichen, die einzelnen Batteriemodule zu- und abzuschalten, den Gleichstrom aus dem Speicher in Wechselstrom für den Haushalt umwandeln und Ähnliches mehr. Gesteuert wird die Schaltelektronik von einer speziellen Software, die sich durch Updates aktualisieren und anpassen lässt. Im Störungsfall ist die wichtigste Aufgabe der Schaltelektronik eine Notabschaltung des Batteriespeichers. 

Sicherheitskomponenten 

Zu den Sicherheitskomponenten im Stromspeicher zählen zum einen Bauteile wie Sicherungen, Schalter oder Relais, die im Gefahrfalle z.B. den Stromfluss unterbrechen und so eine Ausbreitung von Schäden verhindern. Daneben gehört das Batteriemanagement zum Sicherheitssystem des PV-Speichers, bestehend aus Hard- und Software, die die Batterie und ihre Funktion überwachen. Hier laufen die Informationen zusammen, die z.B. durch Temperaturfühler gewonnen werden. Aufgabe des Batteriemanagements ist es, dafür zu sorgen, dass die einzelnen Zellen im zulässigen Temperatur- und Spannungsbereich arbeiten, es gleicht die Spannungsunterschiede zwischen einzelnen Zellen und Batteriemodulen aus (Balancing), hält die Lade- und Entladeströme innerhalb vorgegebener Grenzen, verhindert eine schädigende Tiefenentladung und viele andere Störfälle. 

Anmerkung: Die überwiegende Zahl der Heimspeicher ist wie beschrieben aufgebaut, allerdings gibt es auch noch andere „Topologien“. 

Laut einer Statistik des Instituts für Schadensverhütung und Schadensförderung der öffentlichen Versicherer werden ein Drittel der Brände bei PV-Speichern durch Elektrizität ausgelöst. Ursache sind vor allem fehlerhafte elektrische Installationen, bei denen z.B. Lichtbögen entstehen, die einen Brand verursachen können.  

Diese Fehler lassen sich leicht durch eine gründliche Qualitätskontrolle der Heimspeicher und durch integrierte Notabschaltungen vermeiden.  

Eine weitere Ursache für einen Brand sind Fehlfunktionen der Batteriezellen, durch die es zu einer Überhitzung kommen kann. Diese lokalen Überhitzungen lassen sich in der Regel durch die Schaltelektronik oder das Batteriemanagement eindämmen. Gelingt dies nicht, kann es zu einem Brand der Zelle kommen. In der Folge können Nachbarzellen und -module in Mitleidenschaft gezogen werden und letztendlich der ganze Batteriespeicher. Man spricht in einem solchen Fall von einem „Thermal Runaway“, dem „worst case“ in Sachen Batteriesicherheit. 

Auch mechanische Beschädigungen können einen Batteriebrand auslösen. Um diese Gefahr einzudämmen, können Gele oder Festkörper als Elektrolyt eingesetzt werden.  Dabei dürfen auch diese Elektrolyte bei Freisetzung keine gefährlichen chemischen Reaktionen mit Luft oder Wasser eingehen. Aktuell ist es noch so, dass viele Heimspeicher-Batterien flüssige Elektrolyte enthalten. An entsprechend sicheren Lösungen wird aber geforscht. 

Kommen die Elektrolyten beider Halbzellen in Berührung, z.B. durch einen porösen Separator, kann es zu einer chemischen Reaktion kommen, die oft mit einer Wärmeentwicklung einher geht. Größere Schäden lassen sich durch die Auswahl einer geeigneten Zellchemie verhindern. Daneben kommt der Konstruktion des Solarspeichers eine zentrale Rolle zu, indem z.B. Trennwände oder Schutzhüllen zwischen Batteriemodulen das Ausbreiten des Schadens verhindern. 

Für einen Lithium-Akku stellt nicht nur die Wärmeentwicklung bei einem Brand eine Gefahr dar. Bei der Verbrennung dehnt sich die Luft im Speicher aus, es entstehen aber auch weitere Gase als Verbrennungsprodukte, die ihrerseits wieder brennbar sein können. In einem „luftdicht“ gebauten Speicher würde es dadurch zu einer immensen Druckerhöhung und letztendlich zu einer Explosion kommen. Dies lässt sich verhindern, indem der Druck über eingebaute Ventile gezielt reduziert wird. Dabei ist wichtig, dass das ausgelassene Gas selbst nicht brennt, um eine Ausbreitung des Brandes zu vermeiden. Das kann z.B. durch interne Löscheinrichtungen oder durch die entsprechende Auswahl der Zellchemie verhindert werden.  

Wie die meisten handelsüblichen Stromspeicher ist die Battery flex ein Lithium-Ionen-Speicher. Die auf dem Markt vorherrschende Zellchemie bietet große Ladungsdichten bei gleichzeitig hoher Ladegeschwindigkeit – beides ideale Voraussetzungen für einen PV-Speicher. Allerdings sind Lithium-Systeme nicht ungefährlich: Bei unsachgemäßer Installation, nicht bestimmungsgemäßem Betrieb oder eben auch bei Konstruktionsmängeln kann es in den Batteriezellen zu einem “Thermal Runaway”, einem "Durchgehen”, kommen und damit zu einem Brand.  

Bei der SOLARWATT Battery flex garantiert ein mehrstufiges Sicherheitskonzept einen gefahrlosen Betrieb. Das beginnt bei den eingesetzten Batteriezellen. Diese wurden in Zusammenarbeit mit BMW als optimale Verbindung von Automotive-Zellen und Heimspeicher entwickelt. Bei der Auswahl der Rohmaterialien und Vorlaufteile haben wir uns nach den hohen Standards der Automobilindustrie gerichtet. Die einzelnen Zellmodule werden auf einer Solarwatt-eigenen Linie beim renommierten Zulieferer Webasto gefertigt und in unserem Werk in Dresden zur Speichereinheit SOLARWATT Battery flex pack montiert.  

Das Sicherheitskonzept setzt sich beim Aufbau des Speichers fort: Jedes Battery flex pack enthält ein Batteriemodul, das durch das Gehäuse geschützt wird. Dieses extrastarke, doppelwandige Gehäuse ist das größte Plus der Battery flex, denn es hält auch stärksten thermischen und mechanischen Belastungen stand. Der Speicher ist zudem mit einem Batterierelais und einer internen Sicherung zum Schutz der Elektronik ausgerüstet. Das Batterierelais sorgt dafür, dass die Battery flex erst nach erfolgtem Systemstart elektrisch aktiv wird. So verhindern wir größere Schäden beim Transport und minimieren die Gefahren für Laien, die mit dem Batteriespeicher in Berührung kommen. Die internen Sicherungen unterbrechen den Stromfluss am Batteriemodul, sobald hier die Stromstärken zu hoch werden.  

Selbstverständlich verfügt die Battery flex über die typischen Schutzeinrichtungen eines PV-Speichers, wie das Batteriemanagement oder Sicherheitsventile zur Druckreduktion. Sollte es trotz aller Sicherheitsmaßnahmen zu einem Thermal Runaway kommen, sorgen Schottbleche in Kombination mit einem Partikelfilter dafür, dass keine Flammen aus dem PV-Speicher austreten können und kein Brand entsteht.  

Ein durchdachtes Sicherheitskonzept allein ist noch keine vollständige Garantie dafür, dass die Brandgefahr beim Batteriespeicher gebannt ist. Selbstverständlich haben wir die Sicherheit unserer Battery flex durch externe Institute prüfen lassen. Unsere Heimspeicher erfüllt u.a. die strengen Anforderungen der Normen IEC 62619:2017 und IEC 62109-1, sowie die Forderungen des Sicherheitsleitfadens für Li-Ionen-Hausspeicher (s. hier).  

Beim Propagationstest, einem der schwierigsten Tests zur Batteriesicherheit und Teil der Prüfung nach IEC EN 62619, wurde eine Batteriezelle so manipuliert, dass diese thermisch durchgeht (Thermal Runaway). Benachbarte Batteriemodule waren durch den induzierten Störfall nicht betroffen. In der Folge kam es außerhalb des manipulierten Batteriemoduls weder zu Feuer noch zu einer Explosion. Die beschriebenen mechanischen Sicherheitsmaßnahmen bewirken dabei, dass eine Propagation (Kettenreaktion) in der Zelle ohne Austritt von Flammen und Material überstanden wird. Der Test wurde freiwillig mehrmals wiederholt; die Battery flex zeigte sich dabei stets von ihrer sicheren Seite. 

Wie alle Li-Ionen-Batterien gilt auch unser Stromspeicher beim Transport als Gefahrgut. Auch den Transporttest für Batterie-Module (UN-38.3) hat die Battery flex mit Bravour absolviert.   

Mit der Battery flex haben wir einen PV-Speicher geschaffen, der höchsten Sicherheitsstandards gerecht wird. Ein Defekt lässt sich zwar nie ausschließen, aber wir haben vorgesorgt: Im Falle einer Störung greift das mehrstufige Sicherheitskonzept. Sollte es zu einem extrem selten vorkommenden „Thermal Runaway“ kommen, wird verhindert, dass Feuer aus dem Batteriemodul austritt. Zudem geht in unserem Haus die Forschung und Entwicklung am Speicher kontinuierlich weiter, um die Battery flex noch effizienter und sicherer zu gestalten.